确定有机物分子式的类型及策略

■湖北省武汉市第三中学

■湖北省武汉市黄陂区第一中学盘龙校区 许又红

正确确定有机物分子式是有机化学中的重要基础技能。根据不同条件和类型有下列多种策略可以帮助大家熟练确定有机物分子式。

一、直接法

直接根据有机物的摩尔质量(或相对分子质量)和各元素的质量分数，求出1mol该有机物中各元素原子的物质的量，再确定分子式。

例1科学家新合成一种化合物X。用质谱法测得X的相对分子质量为64；X含碳的质量分数为93.8%，氢的质量分数为6.2%；核磁共振显示，X分子中有3种化学环境不同的氢原子和4种化学环境不同的碳原子；X分子中同时存在C—C、C═C和C≡C3种键，并发现其中C═C键比乙烯中的C═C键略短一些。

(1)写出X的分子式：___。

(2)根据题中信息，分析得出X可能的结构式：___。

解析：由题意可知，该化合物的1个分子中含有的碳原子数是；含有的氢原子数为。故该化合物的分子式为C5H4。

虽然该分子只有5个碳原子，但确定其结构并不容易。首先计算其不饱和度：。4个不饱和度，分子中存在C═ C、C≡C(至少各1个，由此形成的不饱和度至少为3)，则另1个不饱和度可能是1个碳碳双键，或1个环状结构。这样，结合题目中“有3种化学环境不同的氢原子和4种化学环境不同的碳原子”的信息，在链状结构和环状结构中，经过反复试写，可以得到符合题意的X的结构。

答案：(1)C5H4

二、最简式法

根据有机物各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数之比(最简式即实验式)，然后结合该有机物的摩尔质量(或相对分子质量)求有机物的分子式。这是最基本的方法。

例2我国产的喜树中可提取一种生物碱，这种生物碱的相对分子质量约为300～400，经分析可知其质量组成为C6 9%、H4.6%、O1 8.4%、N8.0%。则其实验式为____，相对分子质量为____，分子式为____。

解析：先求生物碱的实验式。

故该生物碱的实验式为C10H8O2N。再求生物碱的相对分子质量：由300＜(C10H8O2N)n＜400，知300＜17 4n＜4n4，即1.7＜n＜2.3，因n为整数，则n=2。

故该生物碱的相对分子质量为348，分子式为C20H16O4N2。

答案：C10H8O2N348C20H16O4N2

注：(1)某些特殊组成的实验式，在不知化合物相对分子质量时，也可根据组成特点确定其分子式。例如实验式为CH3的有机物，其分子式可表示为(CH3)n，仅当n=2时，氢原子已达饱和，故其分子式为C2H6。同理，实验式为CH3O的有机物，其分子式只能为C2H6O2。

(2)部分有机物的实验式中，氢原子已达到饱和，则该有机物的实验式即为分子式。例如实验式为CH4、C3H8、CH3Cl，只要知道最简式，就可推出分子式。

(3)具有特定碳、氢原子物质的量之比的常见有机物。

①当n(C)∶n(H)=1∶1时，常见有机物有苯乙烯、苯、乙炔、苯酚等。

②当n(C)∶n(H)=1∶2时，常见有机物有单烯烃、饱和一元脂肪醛、饱和一元脂肪酸、饱和一元脂肪酯、葡萄糖等。

③当n(C)∶n(H)=1∶4时，常见有机物有甲烷、甲醇、尿素[CO(CH2)2]等。

三、商余通式法

已知烃的相对分子质量，确定烃的分子式。

(1)用烃的相对分子质量除以14，视商数和余数确定分子式的类型。

(2)根据各类烃的分子通式，由相对分子质量求出分子式。

例3分别求出相对分子质量为72、128的烃的分子式：___、___。

解析：将72除以14得商为5余2，故为烷烃，其分子式为C5H12。将128除以14得商为9余2，也可能为烷烃，故烷烃的分子式为C9H20，因相对分子质量较大，除烷烃外，还可能为其他类型的烃分子，可在C9H20的基础上增加1个C，则减小12个H，分子式为C10H8(萘分子)。但不能减C加H。

答案：C5H12C9H20或C10H8。

注：(1)根据商余通式法求出上述几类分子式后，再用增减法试探有无其他分子的可能。

(2)烃分子中，氢原子数为偶数。

(3)对于烃的含氧衍生物，先用相对分子质量减去氧原子总相对原子质量，剩余的相对分子质量仍按上述方法进行。

四、设“1”讨论法

若已知全部(或部分)元素的质量分数，为避免烦琐地求算原子个数比，可设分子中原子数最少的那种元素的原子数目为1，确定其相对分子质量后再确定其他元素的原子数目。如果设“1”不合题意，可再设为“2，3……”至符合题意。

例4吗啡和海洛因都是严格查禁的毒品。吗啡分子中C、H、N、O的质量分数分别为71.58%、6.67%、4.91%和16.84%，已知其相对分子质量不超过300。

(1)吗啡的相对分子质量为____。

(2)吗啡的化学式为____。

解析：(1)假设吗啡分子中只有一个氮原子，则吗啡的相对分子质量为。由于已知吗啡的相对分子质量不大于300，如果其分子中含有2个氮原子，则其相对分子质量必超过300，故可得吗啡的相对分子质量为285。

答案：(1)285 (2)C17H19NO3

注：运用直接法求分子式，避免了运用最简式法求分子中原子个数之比的复杂计算和数字处理。

五、燃烧通式法

根据有机物完全燃烧反应的通式及反应物和生成物的质量、物质的量或体积关系，利用原子个数守恒来求出1mol有机物所含C、H、O原子的物质的量，从而求出分子式。如烃和烃的含氧衍生物可设为CxHyOz(z=0为烃)，燃烧通式为。

例5室温时，20mL某气态烃与过量氧气混合，完全燃烧后的产物通过浓硫酸，再恢复到室温，气体体积减少了50mL，剩余气体再通过苛性钠溶液，体积又减少了40mL。则该气态烃的分子式为____。

解析：本题中燃烧产物通过浓硫酸时，水蒸气被吸收，再通过苛性钠溶液时，CO2气体被吸收，故CO2的体积为40mL。由体积减少可用差量法计算。设烃的分子式为CxHy。

答案：C2H6

六、守恒法

守恒法是指依据质量守恒、原子个数守恒等寻找等量关系，以此为切入点迅速确定有机物分子式的一种方法。

例60.2mol有机物A和0.4molO2在密闭容器中燃烧后的产物为CO2、CO和H2O(气)，产物经过浓硫酸，质量增加10.8g；再通过灼热的足量C u O充分反应后，质量减轻3.2g；最后气体再通过足量碱石灰被完全吸收，质量增加17.6g。则A的分子式为____。

即该有机物1mol中含H6mol、C2mol、O2mol。故A的分子式为C2H6O2。

答案：C2H6O2

七、反应讨论法

当反应物的相对用量不确定或条件不足时，应根据有机物的状态或分子式中碳原子或氢原子数为正整数等条件，来讨论有机物的分子式。讨论时，要抓住有机物的燃烧消耗O2的上下限及有机物的通式，列出等式或不等式进行讨论，关键要抓住反应前后气体体积变化、气体压强变化等列式求解。可能有多种答案。

例7400K、1.01×105Pa时，2L烃A的蒸气能在aL氧气中完全燃烧，反应后体积增至(a+4)L(体积均在相同的条件下测定)。请回答：

(1)烃A在组成上应满足的条件是____。

(2)当a=15时，该烃的分子式为____。

(3)A在常温常压下为气态时，a的取值范围是____。

(3)当A在常温常压下为气态时，且y=8时，则x≤4；又因为，即，解得a≥12。

答案：(1)氢原子数为8，碳原子数小于或等于

(2)C3H8、C4H8或C5H8

(3)a≥12

八、平均分子式法

当烃为混合物时，先求出“平均分子式”，再利用平均值，确定混合烃中各烃的分子式。

如两种烃组成的混合物的“平均分子式”为CmHn，即为每一个烃分子的平均组成。(其中m、n可以为整数，也可以为分数)。则其中一种烃分子中的碳原子数大于m，另一种烃分子中的碳原子数小于m(或两种烃分子中的碳原子数均等于m)；同时其中一种烃分子中的氢原子数大于n；另一种烃分子中的氢原子数小于n(或两种烃分子中的氢原子数均等于n)。

除此之外，两烃分子的物质的量之比能同时满足“平均分子式”中的碳、氢原子数，即可确定两烃分子式为合理答案。

例8某常温常压下的混合气体含两种链烃，已知它们都能使溴水褪色，如果1体积混合气体完全燃烧后可生成3.6体积的CO2和3体积的水蒸气(同状态下)。通过计算和推理确定这两种烃的分子式以及它们在混合气体中的体积比。

解析：依题意，混合气体的“平均分子式”为C3.6H6，且均为不饱和气态链烃。故初步符合“平均分子式”的组成可能有：

但上述四组答案不一定都是符合题意的答案，还需一一验证。

第②组答案中，依两烃的氢原子而言，C4H6与C3H6可以为任意体积比。故两者的体积比由碳原子数决定。故有。

同样的方法推出：③组答案和④组答案均为不合理答案，也应舍去。

综上所述，满足题意的两种烃的分子式分别为C4H6和C3H6，其体积比为。

答案：见解析。

注：有关烃的混合物计算的几条规律：

③若平均分子组成中1＜N(C)＜2，则一定有CH4。

④若平均分子组成中2＜N(H)＜4，则一定有C2H2。

⑤两种烃组成的混合气体。若其平均分子组成为N(C)=2，且其中一种分子式含两个碳原子，则另一种气体分子式一定也含两个碳原子。

巩固练习

1.某有机化合物仅由碳、氢、氧三种元素组成，其相对分子质量小于150，已知其中氧元素的质量分数为50%，则1个该分子中碳原子的个数最多为( )。

A.4 B.5 C.6 D.7

2.从香料八角中提取的有机物A可制得抗禽流感病毒的特效药。

(1)经测定，A的相对分子质量在150与200之间，含碳的质量分数为48.28%，含氢的质量分数为5.75%，其余为氧。则A的分子式为____。

(2)1molA能与足量NaHCO3反应得到标准状况下的CO222.4L，2molA能与足量金属钠反应得到标准状况下的H289.6L，3molA能与3molBr2恰好发生加成反应。将每个A分子中所含有官能团的名称及数目填入表1(可不填满也可补充)。

表1

(3)A与等物质的量的H2加成后生成B。A的红外光谱显示每个A分子中除含有上述官能团外，还含有一个六元碳环。B的核磁共振氢谱显示每个B分子中有7种不同化学环境的氢原子。已知羟基连在双键碳原子上是不稳定的，两个羟基连在同一碳原子上也是不稳定的，则A分子稳定的结构简式是____。

答案：1.B

2.(1)C7H10O5

(2)(见表2)

表2